ORGANICKÁ CHÉMIA

Pre BMF

Ďuračková Zdeňka

Ústav lekárskej chémie, biochémie a klinickej biochémie

LF UK

V 18. storočí sa podarilo izolovať viacero organických látok

• močovina (1773, H. Rouelle)

• kyselina mravčia z mravcov (1749, A. S. Margraf)

• kyselina jablčná z jabĺk a kyselina vínna z vínneho kameňa (1769, C.

W. Scheele).

19. Storočie: okolo roku 1816 M. Chevreul začal študovať mydlá

vyrobené z tukov a zásad. Podarilo sa mu izolovať niekoľko

mastných kyselín a po pridaní zásady vyrobil mydlo.

1828, F. Wöhler - prvá syntéza v organickej chémii, príprava

močoviny zahrievaním kyanátu amónneho (NH4OCN).

1856 18-ročný W. H. Perkin - syntéza farbiva anilínového purpuru a

syntetického chinínu

Niečo z histórie

1858, F. A. Kekule (Heidelberg) a 27.r. A. S. Couper

(u Prof. A. Wurza v Paríži)

- Koncept chemickej štruktúry uhľovodíkov

- Kritický zlom v teórii organickej chémie

- Obaja predpokladali, že štvormocné atómy

uhlíka vytvárajú uhlíkové reťazce.

1865, Kekule predstavil štruktúrny vzorec

benzénu, čo sa stalo jedným z najvýznamnejších

objavov v organickej chémii.

Teória štruktúry organických zlúčenín(vzťah medzi štruktúrou, vlastnosťami a funkciou biochemicky

významných zlúčenín)

Organická chémia – chémia uhľovodíkov a ich derivátov

6C 1s2 2s2 2px12py

1pz C = O

Uhlík v základnom stave

6C 1s2 2s1 2px1 2py

1 2pz1 O = C = O

Uhlík v excitovanom staveC

1s 2s 2px 2py 2pz

Elektrónová konfigurácia uhlíka

základný stav

excitovaný stav

4 nespárené elektróny – štvorväzbovosť uhlíka

C

Základné princípy štruktúry organických zlúčenín

- uhlík je štvorväzbový C

- všetky 4 väzby sú rovnocenné (hybridizácia s-, a p-orbitálov

na valenčnej vrstve atómu uhlíka)

- medzi atómami uhlíka môže byť jednoduchá, dvojitá, alebo

trojitá väzba (σ a π väzba)

– C – C – – C = C – – C = C –

- atómy uhlíka tvoria reťazce – jednoduché, rozvetvené a

cyklické

- medzi atómami uhlíka môžu byť viazané atómy kyslíka, síry,

alebo dusíka

Typy štruktúr uhľovodíkov

UHĽOVODÍKY

Heterocyklické zlúčeniny (O, S, N,)

Acyklické

(necyklické)

Cyklické

Nasýtené

Nenasýtené

Alkény

Alkíny

Alicyklické

Aromatické

Cykloalkány

Cykloalkény

ŠTRUKTÚRA ORGANICKÝCH ZLÚČENÍN

1. Acyklické (necyklické)

Nerozvetvené (lineárne)

CH3-CH2-CH3

Rozvetvené

CH3-CH-CH3

CH3

2. Cyklické

Alicyklické

Aromatické (arény)

Heterocyklické

Organické zlúčeniny podľa usporiadania uhlíkového reťazca:

N

Izoméria organických zlúčenín

(existencia dvoch, alebo viacerých zlúčenín s identickým molekulovým

vzorcom, ale odlišnou štruktúrou)

Typy izomérie

• Konštitučná (n-propanol, 2-propanol)

• Konfiguračná (stereoisoméria)

- geometrická (cis-, trans-) (kys. fumarová, maleínová)

- optická (chiralita, D/L - izoméria) (D-AK, L-AK)

• Konformačná (stoličková, vaničková)

Vzťah štruktúry a vlastností

• Izoméria - rovnaký sumárny (molekulový) vzorec

- odlišná molekulová štruktúra

1. konštitučná izoméria- odlišnosť (konštitúcie) poradia atómov alebo spôsobu vzájomnej väzby

reťazová bután CH3 izobután

CH3 – CH2 – CH2 – CH3 CH3 – CH –CH3

polohová 1-propanol OH 2-propanol

CH3 – CH2 – CH2 – OH CH3 – CH – CH3

polohy dvojitých väzieb 1-butén 2-butén

1CH2 = CH – CH2 – CH3 CH3 –2CH = CH – CH3

Tautoméria (napr. oxo-enol, alebo laktam-laktim tautoméria)

CH2 = CH – OH CH3 – C = O

vinylalkohol

H acetaldehyd

11

Tautoméria - polohová izoméria

N

N

NH

HN

O

H2N N

N

NH

N

OH

H2N

Laktámová forma Laktímová forma

CH2 = CH – OH CH3 – C = OH

vinylalkohol etanal

(acetaldehyd)

C2H4O

2. konfiguračná izoméria odlišnosť v priestorovom usporiadaní atómov, poradie a spôsob väzby sa

nemenia

izoméria geometrická , cis – trans (napr. kyselina maleínová a fumárová)

podmienená prítomnosťou dvojitej väzby

kyselina maleínová kyselina fumárová

H – C – COOH HOOC – C – H

|

H – C – COOH H – C – COOH

optická - podmienená prítomnosťou asymetrického (chirálneho) uhlíka, C*

- optické izoméry - enantioméry

- otáčanie roviny polarizovaného svetla (+ alebo - )

konfigurácia D- a L- H – C = O H – C = O

|

H – C* – OH HO – C* – H

|

CH2OH CH2OH

D(+)- glyceraldehyd L(-) - glyceraldehyd

Konformácia molekúl

Priestorové usporiadanie danej konfigurácie

Podmienená rotáciou skupín okolo osi prechádzajúcej dvomi atómami uhlíka

spojenými jednoduchou väzbou.

Napr. dve konformácie cyklohexánu:

Stoličková Vaničková

nízkomolekulové látky (molekuly, ióny, radikály), reagujúce so

substrátom

Nukleofilné – donorom elektrónov substrátu pre vznik novej väzby je

činidlo:

OH- , X- (halogenid), H2O, NH3 substrát

Elektrofilné – akceptorom elektrónov zo substrátu na tvorbu novej väzby

je činidlo :

+SO3H, +NO2 , Cl+ substrát

ČINIDLÁ V ORGANICKEJ CHÉMII

e

e

INDUKČNÝ EFEKT, I ( pre - väzby)

účinok polárnej väzby na polarizáciu vo vedľajších väzbách

smer polarizácie rovnaký ako polarita pôvodnej väzby

znižovanie účinku so zväčšovaním vzdialenosti

Záporný indukčný efekt – I

- atóm, resp. skupina atómov na uhlíku, ktorá priťahuje elektróny

skupiny: –F, –Cl , –Br , –I, =O, –OR, –SR, –NH2 , –NO2

Kladný indukčný efekt + I

- atóm, resp. skupina atómov, ktorá odpudzuje elektróny

skupiny: –CH3 (alkyly)

prenos efektu polárnej skupiny po konjugovanom systéme dvojitých väzieb

Záporný mezomérny efekt -M

skupiny priťahujúce elektróny

dochádza k elektrónovému zriedeniu na susedných násobných väzbách

skupiny: -NO2 , -COH, =C=O, -COOH, -C=N

R – CH = CH – C = O

H

MEZOMÉRNY EFEKT , M

+M -MNO2

+M -M

10

elektrónov6

elektrónov16

Kladný mezomérny efekt, +M

skupiny odpudzujúce elektróny

zahustenie elektrónov na susedných uhlíkoch s násobnými väzbami

skupiny: -NH2 , -OH , -OR, -SH,. -SR, -X (halogény)

O –H

-M +M

4

elektróny6

elektrónov

REAKCIE ORGANICKÝCH ZLÚČENÍN

1. Adícia

2. Substitúcia

3. Eliminácia

2H

CH2 = CH2 --------> CH3 – CH3

CH2 – CH2 – Cl + OH- --------> CH3 – CH2 – OH +Cl-

- H2O

CH3 – CH – CH – CH2 ---------> CH3 – CH = CH – CH3

| |

OH H

2 – butanol 2 – butén 19

Predpona de - ..... Eliminácia - za tvorby dvojitej väzby

20

Dehydratácia - H2OCH3 – CH – CH – CH2 ---------> CH3 – CH = CH – CH3

| |

OH H

2 – butanol 2 – butén

- 2HCH3 – CH – CH – CH2 ---------> CH3 – CH = CH – CH3

| |

H H

bután 2 – butén

Dehydrogenácia

Deaminácia

- NH3

CH3 – CH – CH – CH2 ---------> CH3 – CH = CH – CH3

| |

NH2 H

2 – aminobután 2 – butén

Acyklické (alifatické)

Alkány:

nasýtené uhľovodíky , jednoduché () väzby, väzbový uhol 109°

homologický rad, -CH2- homologický prírastok, sumárny vzorec

CnH2n+2

nepolárne zlúčeniny, rozpustné v nepolárnych rozpúšťadlách,

nerozpustné v H2O

velmi malá reaktivita, charakteristické reakcie - substitučné

(teplota, UV žiarenie)

- napr. metán, etán, propán, bután, pentán, hexán…, izobután

UHĽOVODÍKY

Alkény

nenasýtené uhľovodíky, dvojitá väzba (), väzbový uhol 120°

homologický rad, sumárny vzorec CnH2n

reaktívne, charakteristické reakcie – adičné

(Markovnikovo pravidlo)

CH2 = CH2 + HOH CH2 – CH2

OH H

etén (etylén) etanol

katalyzátor

CH2 = CH2 + 2H CH3 – CH3

etén etán

Diény (2 dvojité väzby)

s kumulovanými, konjugovanými alebo izolovanými dvojitými

väzbami

reaktívne, významná reakcia – adičná polymerizácia , napr.

n CH2 = C – CH = CH2 ----- --CH2 - C = CH – CH2-n-

CH3 CH3

2-metyl-1,3-butadién prírodný kaučuk

izoprén polymér izoprénu

- Izoprenoidy (napr. terpény, steroidy)

Alkíny

nenasýtené uhľovodíky, trojitá väzba (), väzbový uhol 180°

homologický rad, sumárny vzorec C2H2n-2

reaktívne, charakteristické reakcie – adičné, napr.

CH CH + HCl CH2 = CH – Cl

Etín (acetylén) chlóretén (vinylchlorid)

CH CH + HOH CH2 = CH – OH CH3 – C = OH

Etín (acetylén) vinylalkohol etanal (acetaldehyd)

Tautoméria :enol- oxo-

Cyklické uhľovodíky

ALICYKLICKÉ

napr.: cyklopentán, cyklohexán, cyklohexén, cyklohexadién,

cyklopentanoperhydrofenantrén

Stereochémia cyklohexánu

stoličková a vaničková forma (väzbový uhol 109°)

Stoličková Vaničková

AROMATICKÉ (ARÉNY)

základný uhľovodík – benzén

aromatický charakter – rovinný útvar (120°väzbové uhly)

π - elektróny rovnomerne rozložené (delokalizované) po celom

kruhu

polycyklické arény, napr.

NAFTALÉN

ANTRACÉN

FENANTRÉN

BENZPYRÉN

Toxicita arénov (napr. benzén, benzpyrén)

Stálosť voči oxidácii

Charakteristické substitučné reakcie (nitrácia, halogenácia, sulfonácia)

päť- alebo šesťčlánkové s jedným alebo viacerými heteroatómami

kondenzované heterocyklické zlúčeniny s dvomi alebo viacerými

heteroatómami

HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY

O NH S

N

NH

N

S

furán pyrol tiofén

imidazol tiazol

N

N

N

pyridín pyrimidín pyrán

(2H-pyrán)

N

N NH

N

O

purín indol

pyrimidín + imidazol benzpyrol

NH

O

S

Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín

Furán

Ribóza Deoxyribóza

Tiofén

S CH3

Metyltiofén

- v grilovanom mäse

Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 2

N

S

tiazol

Tiamín – vitamín B1

• Súčasť karboxyláz – oxidačná dekarboxylácia

alfa-oxokyselín

• Metabolizmus sacharidov v mozgu

P P

NH

pyrol

Porfín – porfyrín - hém

Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 3

N

NH

imidazol

PurínHistidín

Biotin

Biologicky významné deriváty heterocyklických

zlúčenín 4

O

2H pyrán

Pyrán

Vitamín EGlukóza

Biologicky významné deriváty

heterocyklických zlúčenín 5

N

pyridín

NAD+Amid kys. nikotínovej

Niacín

Vitamín PP

Biologicky významné deriváty

heterocyklických zlúčenín 6

N

N

pyrimidínPurín

Pyrimidínové dusíkové zásady

Biologicky významné deriváty

heterocyklických zlúčenín 7

kofeín teofylín

Kyselina močová

Biologicky významné deriváty

heterocyklických zlúčenín 8

Indol

benzén + pyrol

NH

Tryptofán

Lysergová kyselina

DERIVÁTY UHĽOVODÍKOV

náhrada atómu vodíka (-ov) uhľovodíka iným atómom alebo skupinou

atómov, tzv. charakteristickou (funkčnou) skupinou

CHARAKTERISTICKÉ SKUPINY A ICH OZNAČENIE

Typ zlúčeniny Charakteristická

skupina

Predpona Prípona

Halogénuhľovodíky F

Cl

Br

I

Fluor-

Chlór-

Bróm-

Jód-

Nitroderiváty NO2 Nitro-

Nitrózoderiváty NO Nitrózo-

Aldehydy HC=O Oxo- - al

Ketóny C=O

Oxo- -on

Karboxylové

kyseliny

COOH Karboxy- -ová kyselina

Alkoholy OH Hydroxy- -ol

Tioly SH Merkapto-

Tio-

-tiol

Étery O-R R-oxy

Sulfidy S-R R-tio

Disulfidy S-S

Sulfónové kyseliny SO3 H Sulfo- Sulfonová kyselina

Amíny NH2 Amino- - amín

Imíny =NH Imino- - imín

Oxímy =N-OH Hydroxylimino- - oxím

Nitrily CN Kyano- - nitril

HALOGÉNDERIVÁTY

Tyroxín – Tetrajódtyronín T4 a

– Trijódtyronín T3

– Cδ+→ Xδ-

T4:T3 = 20:1

HALOGÉNDERIVÁTY UHĽOVODÍKOV

- nerozpustné vo vode, rozpustné v alkoholoch a éteroch

- polárna kovalentná väzba C-halogén

• charakteristické reakcie

- substitučné (heterolytický zánik väzby), ako alkylačné činidlá

• praktické použitie

ako rozpúšťadlá nepolárnych látok (CCl4)

monoméry pre výrobu makromolekulových látok (PVC, umelý kaučuk, teflon),

v chladiarenskom priemysle (freóny –napr.dichlor-difluormetán)

jodoform – dezinfekčné účinky

insekticídy

dioxíny

narkotiká (napr. halotan, CF3-CHBrCl)

•toxicita

pôsobia najmä na centrálne nervstvo

tetrachlórdibenzodioxín –karcinogén, teratogén, mutagén

(c 1mg.l-1) /dioxíny/

kancerogény alebo podozrivé karcinogény (CHCl3 , CCl 4)

Toxicita halogénderivátov

DDT – insekticíd DichlórDifenylTrichlóretán

(1948 dostal Švajčiar Paul Hermann Müller za objav DDT Nobelovu cenu

Dioxín

Čo vieme o Dioxínoch?

Je to skupina látok – polutanty životného prostredia

akumulujú sa v potravinách, v tukových tkanivách, v

mäse, rybách

sú vysoko toxické najmä na reprodukčné procesy a vývoj

sú mutagénne, teratogénne, karcinogénne a genotoxické

na všetky orgánové systémy

sú všadeprítomné – všetci ľudia sú exponovaní malou

dávkou

ak je dávka vysoká – extrémne toxická

odbúrávajú sa až pri t = 1000°C

striktná kontrola industriálnych procesov 44

1. ALKOHOLY

Polarita väzby O H - reaktivita hydroxyderivátov

Asociácia molekúl alkoholov vodíkovými väzbami (vyššie teploty topenia

a varu)

Rozdelenie:

1.podľa väzbového miesta -OH skupiny v reťazci

- primárne ( 1- butanol) CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – OH

CH3 – CH2 – CH – CH3

OH

CH3

CH3 – C – CH3

OH

- sekundárne (2-butanol

- terciálne (terc. butanol)

HYDROXYDERIVÁTY UHĽOVODÍKOV

2. podľa počtu –OH skupín

- monohydroxyderiváty

- dihydroxyderiváty (dioly) , napr. etándiol (etylénglykol)

- trihydroxyderiváty (trioly), napr. propántriol (glycerol)

- polyhydroxyderiváty (patria medzi sacharidy)

CH2 – OH

CH2 – OH

CH2 – OH

CH – OH

CH2 – OH

O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

etylénglykol glycerol glukóza

- Kyslý charakter alkoholov

- Toxicita alkoholov

CH3- CH2-O-H + NaOH CH3- CH2-O- + Na+ + H2O

Alkoholát sodný

alkoxid

47

Zásaditý charakter alkoholov a éterov

CH3- CH2-O-H + H+ Cl- CH3- CH2- O-H Cl-

H +

Alkoxóniová soľ

Alkoxóniová soľ

H

CH3 – O – CH3 + H+ Cl- CH3 – O – CH3 Cl-

+

48

R-CH2-OH R-CH=O R-COOH

R R

CH-OH C=O

R R

R - alkohol R – OH

Ar – fenol Ar – OH

H H- O -

Éter R – O – R

ox

-2H

ox

-2H

ox

H2O

štiepenie väzby

medzi atómami uhlíka

ox

Oxidácia alkoholov

3. terciárne:

stálosť voči miernym oxidačným činidlám

štiepenie väzby C –C silnými oxidačnými činidlami (K2Cr2O7)

CH3 CH3

oxidácia

CH3 –C – OH CH3 –C = O + HCOOH

CH3 acetón kys. mravčia

Oxidácia diolov

CH2 – OH COOH COOH COOH

CH2 – OH CH2 – OH HC=O COOH

Etándiol kys.glykolová kys.glyoxálová kys. oxálová

Oxidácia triolov

CH2 – OH CH2 – OH HC = O COOH

ox. ox ox

C = O CH – OH CH – OH CH – OH

CH2 – OH CH2 – OH CH2 – OH CH2 – OH

dihydroxyacetón glycerol glyceraldehyd kys. glycerová

51

Tvorba vodíkových väzieb (môstikov)

R – O Hδ- δ+

δ-δ+

H O – R

R – O – R

R – O – R

Vyšší bod varu

cca 80°C

cca 40°C

• Esterifikácia s organickými kyselinami

- pri karboxylových kyselinách

R – OH + HOOC – R

ester

+ H2OR – O – CO – R

53

Reakcie s anorganickými kyselinami

Esterifikácia alkoholu kyselinou sírovou

R – O –H + HO – SO2 – OH R – O – SO2 – OH

- heteropolysacharidy

chondroitínsulfát

dermatansulfát

- glykolipidy

sulfatidy

- H2O

Alkylsulfát, ester kyseliny sírovej

Esterifikácia

s kyselinou dusičnou HNO3

CH2 – OH + H – O – NO2 CH2 – O – NO2

CH – OH + H – O – NO2 CH – O – NO2 + 3 H2O

CH2 – OH + H – O – NO2 CH2 – O – NO2

glyceroltrinitrát

(liek pri ochoreniach srdca)

Alfred Nobel (1833-1896), objav dynamitu (1867)

– fond 9 miliónov na Nobelove ceny

Reakcie s anorganickými kyselinami

OH OH

R – OH + HO – P = O R – O – P = O

OH OH

- H2O

monoester

Reakcie s anorganickými kyselinami

OH OH

R – OH + HO – P = O R – O – P = O

OH OH

OH + HO – R

R – O – P = O

OH

- H2O

monoester

- H2O

Reakcie s anorganickými kyselinami

OH OH

R – OH + HO – P = O R – O – P = O

OH OH

OH + HO – R O – R

R – O – P = O R – O – P = O

OH OH

- H2O

diester

monoester

- H2O

Esterifikácia glycerolu s H3PO4

CH2 – OH CH2 – OH

CH – OH OH CH – OH OH + H2O

1CH2 – OH + H – O – P = O 1CH2 – O – P = O

OH OH

1-glycerolfosforečná kyselina (kyselina fosfatidová)

(metabolit a štruktúrna zložka zložených lipidov)

-vo forme aniónov pri pH väčšiny telových tekutín:

O O

- H+ - H+

R-O – P – OH R-O – P – O- R-O – P – O-

+ H+ + H+

OH OH O-

pH << 7 pH 7 pH 7

= = =

o

fosfoanhydridové zoskupenie

O O

R – O - P – O ~ P – OH

protóndonorové

OH OH skupiny

fosfoesterová

väzba

ATP + H2O ADP + Pi G0 - 32 kJ.mol-1 0

FENOLY

-priamo na aromatickom jadre sa viaže jedna, resp. viac –OH skup.

-väčšia acidita fenolov v porovnaní s alkoholmi

-chemické reakcie

OH

OH

OH

Fenol Hydrochinón

COOH

OH

Kyselina salicylová

- Kyslý charakter fenolov

(vyšší ako u alkoholov)

- Toxicita alkoholov a fenolu

OH + NaOH O - + Na+ + H2O

Fenolát sodný

Syntéza

acylpyrínu

acylpyrín

1899 Prvá fľaška s

acylpyrínom

1853 - Charles Frederic Gerhardt

COOH

OH

+ CH3COOH- H2O

COOH

O CO CH3

Kys. salicylová

(2-Hydroxybenzoová kys.) Kys. octová Kyselina acetylsalicylová

66

Oxidácia dihydroxyarénov – difenolov

- tvorba chinónov, cyklických konjugovaných -diketónov

OH

OH

O

O

-2H

+2H

p-dihydroxybenzén p-benzochinón

( hydrochinón)

- Chinóny sú farebné (pigmenty rastlín)

- antioxidačná funkcia fenolov sa spája s reverzibilnou oxidáciou

difenolov na chinóny (napr. KoQ)

- dezinfekčné vlastnosti fenolov

nenasýtený

cyklický

di-ketón

- 2H

+ 2H

1,2-hydrochinon

(pyrokatechol)

1,2-benzochinon

rezorcinol

oxidácia

1,2-hydrochinon

Kyselina gallová

- CO2

Pyrogalol

využitie vo fotografii,

farbenie vlasov

Taníny, antioxidantväzba na sacharid

68

Koenzým Q

Oxidácia

- 2H

Redukcia

+ 2H

Súčasť dýchacieho reťazca v mitochondriách

Vitamín Kfylochinón

O

O

CH3

CH2CH C (CH2CH2CH2CH)3

CH3

CH3

CH3

Dôležitý pri zrážaní krvi ( tvorba protrombínu ).

V rastlinách má úlohu pri fotosyntéze.

Pri nedostatku - poruchy zrážania a možný vznik nebezpečných krvácaní do telových

dutín.

Zdrojom je hlavne listová zelenina.

OXOZLÚČENINY (aldehydy a ketóny)

R – Cδ+ Cδ+ = Oδ-

Oδ-

H

R

R

Aldehydy Ketóny

+

Karbonylová skupina - oxoskupina - - C = O

- všetky tri atómy pripojené ku karbonylovému uhlíku zvierajú

uhol 120°- ležia v jednej rovine

R R

Aldehydy C = O Ketóny C = O

H R

- polarizácia skupiny - reaktivita

OXOZLÚČENINY

Chemické reakcie oxozlúčenín

Oxidácia a redukcia aldehydov

aldehyd

redukciaR – CH2 –OH

primárny alkohol

O

R – C – H

oxidáciaO

R – C –OHkarboxylová kyselina

2H (Ni)

alebo donor H:

O

R – C – R

Ketón

redukcia

katalyzátor Ni

alebo donor H

relat. stabilné voči oxidácii

OH

R – CH – R

sekundárny alkohol

Oxidácia

Oxidácia a redukcia ketónov

Redoxné vlastnostiO O

R – CH2 – OH R – C R – C

H OH

R R

CH – OH C = O

R R

-2H

+ 2H

H2O

-2H

-2H Ox

+2H

Aldehyd

Ketón

Redukčné vlastnosti

Oxidácia a redukcia v živých systémoch

(koenzýmy dehydrogenáz ako akceptory a donory H)

- NAD+ - akceptor H pri oxidácii alkoholu

- NADH – redukovaná forma koenzýmu – donor H

CH3 CH – OH + NAD+ CH3 C = O + NADH + H+

H H

etylalkohol acetaldehyd

76

Reakcie adičné a kondenzačné - tvorba poloacetálov a

acetálov

Aldehyd Alkohol Poloacetál Acetál

- poloacetálové formy sacharidov - relatívne stále (intermediáty

pri tvorbe acetálov - glykozidov)

R – C – H + CH3 – OH R– C – H + CH3OH R – C –H + H2O

O – CH3 O – CH3

O – CH3

poloacetálový

hydroxyl

OHO

77

Reakcie adičné a kondenzačné - tvorba poloacetálov a

acetálov

Aldehyd Alkohol Poloacetál Acetál

- poloacetálové formy sacharidov - relatívne stále (intermediáty

pri tvorbe acetálov - glykozidov)

R – C – H + CH3 – OH R– C – H + CH3OH R – C –H + H2O

O – CH3 O – CH3

O – CH3

poloacetálový

hydroxyl

OHO

78

O OH

OH

CH3 – C – H + CH3 – CH2– C – H CH3 – CH – CH – C – H

O OCH3

Aldolová kondenzácia (aldehydy s - vodíkom)

3- hydroxyaldehyd = aldol

O OH

OH

CH3 – C – H + CH3 – C – CH3 CH3 – CH – CH2 – C – CH3

4-hydroxy-2-pentanon

O O

1

3

Uplatnenie aldolovej kondenzácie v

metabolizme

HO

dihydroxyacetón-

-fosfát

H2C O

C O

CH2

P Cδ+

C

H2C O P

OHH

glyceraldehyd-

-fosfát

H Oδ¯

H2C O

C O

P

(CHOH)3

H2C O P

fruktóza -1,6-bifosfát

aldoláza

P = PO3H2

Kondenzácia s primárnymi amínmi -

tvorba imínov (Schiffove zásady)

R – CH = O + H2N – CH3 R – CH = N – CH3 + H2O

• aldimín

R – C = O + H2N – CH3 R – C = N – CH3 + H2O

| |

R ketón R ketimín

Schiffové zásady

- významné intermediáty biochemických reakcií

- väzba karbonylových zlúčenín na voľné aminoskupiny bielkovín

retinal (vitamín A)

Rodopsín - červené farbivo na sietnici oka citlivé na svetlo

CH=N opsín

+ H2N opsín

rodopsín

- H2O

Biologický význam tvorby Schiffových zásad

82

Neenzýmová

glykácia

proteínov

- H2OHO

HO

HO

C

CH2

OHOH

OHOH

OH

H O

D- glukóza

H2N proteín+

CH2

OHOH

OHOH

OH

CH N proteín

aldimín

(Schiffova zásada)

CH2

OOH

OHOH

OH

CH2 NH proteín

ketoamín

(fruktózamín)

aldimín

Schiffova zásada

KARBOXYLOVÉ KYSELINY

C

O

OH

120°

120°

120°

- Posun - elektrónov skupiny C = O

- Polarizácia väzby – O H

O H

R – C = OR – C

O

O

+ H+

- zväčša slabé kyseliny, K(disoc.konšt.) = rádovo 10-5

- podľa počtu skupín – COOH: mono-, di- a trikarboxylové kyseliny

- nasýtené a nenasýtené

NÁZOV KYSELINY VZOREC NÁZOV

SOLI

substitučný triviálny R-COOH R- COO

metánová mravčia HCOOH mravčan/formiát

etánová octová CH3COOH octan/acetát

etándiová šťavelová HOOC-COOH šťavelová

oxálová oxálová

propándiová malónová HOOC- CH2 -COOH malonát

butándiová jantárová HOOC-(CH2 )2-COOH

sukcinát

pentándiová glutárová HOOC-(CH2 )3-COOH glutarát

buténdiová fumárová(trans) HOOC-CH=CH-COOH fumarát

maleínová(cis)

2-hydroxy- mliečna CH3 -CH-COOH laktát

propánová OH

3-hydroxy- CH3 –CH-CH-COOH 3-hydroxybutyrát

butánová

OH

2-hydroxy- HOOC-CH-CH2 –COOH - jantárová

OH malát

dihydroxy- vínna HOOC-CH-CH–COOH tartrát

jantárová OH OH vínan

citrónová CH2 - COOH

HO – C - COOH citrát

CH2 – COOH

2-oxopropánová pyrohroznová CH3- CO- COOH

pyruvát

3-oxobutánová acetoctová CH3- CO-CH2 COOH

acetacetát

2-oxojantárová oxáloctová HOOC-CH2 –CO-COOH

oxálacetát

2-oxopentánová 2-oxoglutárová HOOC-(CH2)2 -CO-COOH

2-oxoglutarát

oxaljantárová HOOC-CO-CH(COOH)CH2(COOH)

oxalsukcinát

Chemické reakcie

1.Neutralizácia - tvorba solí

CH3 – COOH + NaOH CH3 – COO- Na+ + H2O

Kyselina octová octan sodný

sodné a draselné soli - dobre rozpustné vo vode

(COOH)2 + Ca(OH)2 (COO)2 Ca + H2O

kyselina šťavelová (oxálová) šťavelan (oxalát) vápenatý

nerozpustný (močové kamene)

- organické kyseliny pri pH okolo7,4 v bunkách tvoria soli

- disociované vo forme aniónov R – COO-

- mydlá – sodné a draselné soli vyšších karboxylových kyselín,

- kyseliny palmitovej CH3–(CH2)14 - COOH

- kyseliny steárovej CH3–(CH2)16 - COOH

2. Dekarboxylácia

- CO2CH3 – CH2 – COOH CH3 - CH3

kyselina propánová etán

HOOC–CH2–CH2–COOH

kyselina jantárová

– CO2

O=C–COOH

CH – COOH

CH2– COOH

kyselina oxaljantárová

HOOC–CH2–CH2–CO–COOH (O)

– CO2

kyselina oxoglutárová

Dehydrogenácia - 2H

HOOC–CH=CH–COOH

kyselina fumarová

3. Nukleofilné substitučné reakcie

- vznik funkčných derivátov karboxylových kyselín /esterov,

amidov, anhydridov, halogenidov/

- náhradou –OH skupiny kabroxylu nukleofilom

- napr. esterifikácia

H+

H – COOH + HO – CH3 H – CO – O –CH3 + H2O

kyselina mravčia mravčan metylový

(-)(+)

Hydrolýza esterov

R – CO – O – R1 + H2O R – COOH + R1 – OH

Soľ kyseliny

Alkalická hydrolýza esterov, tzv. zmýdelňovanie:

R – CO – OR1 + NaOH R – COO Na+ + R1 – OH

Ester kyselina alkohol

Mydlá – sodné alebo draselné soli vyšších karboxylových kyselín

– vznikajú alkalickou hydrolýzou tukov

DERIVÁTY KARBOXYLOVÝCH KYSELÍN

1. Funkčné

- náhrada – H alebo - OH skupiny karboxylu inou skupinou (atómom)

- estery, tioestery, halogenidy, amidy, anhydridy

2. Substitučné

- náhrada atómu vodíka (-ov) v bočnom uhlíkatom reťazci kyseliny

iným atómom alebo skupinou (-ami)

- hydroxykyseliny, oxokyseliny, aminokyseliny, halogénkyseliny

DERIVÁTY KARBOXYLOVÝCH KYSELÍN

O

R – C – O – H

- M (soľ) –––––––––––––––––

– X (halogenidy)

– NH2 (amidy)

– O – R (estery)

– O – CO – R (anhydridy)

≡ N (nitrily)

Funkčné deriváty

Acyl-

Amidy karboxylových kyselín

O

R – C – O – H

O

R – C – NH2+ NH3 + H2O

Amid karboxylovej kyseliny

Amid kyseliny nikotínovej

Niacín

Vitamín PP 94

- prenos acylu v biochemických reakciách

- koenzýmA, HS - KoA - aktivuje kyseliny v metabol.pochodoch:

R – COOH + HS – KoA R – CO ~ S-KoA + H2O

Acylkoenzým A - tioester

- tioestery – aktivované formy karboxylových kyselín (acylov)

v živých bunkách,

napr. R- CO ~ KoA acyl – KoA

CH3 – CO ~ KoA spoločný intermedát metabolizmu tukov,

sacharidov a bielkovín,

- substrát Krebsovho (citrátového) cyklu

Acetylkoenzým A

- substitučné deriváty

γ(4) β(3) α(2) 1 O

R – CH2 – CH2 – CH – C

OH

- X (halogén karboxylové kyseliny)

- OH (hydroxy kyseliny)

- NH2 (aminokyseliny)

= O (aldehydo- a keto- kyseliny)

H

!

Hydroxykyseliny

CH3 – CH CO O

O CO CH –CH3

laktid

CH3 – CH – COOH HO

OH HOOC+

CH – CH3

- 2 H2O

α –hydroxykyseliny dehydratujú za zvyšenej teploty na laktidy

Hydroxykyseliny

–hydroxykyseliny dehydratujú za zvyšenej teploty na nenasýtené kyseliny:

-H2O

CH3 3CH – CH2 – 1COOH CH3 CH = CH COOH

T

OH

3–Hydroxybutánová kyselina 2- Buténová kyselina

λ –hydroxykyseliny dehydratujú za zvyšenej teploty na laktóny

R – CH – CH2 – CH2 – C

O H OH

γ β α

R–CH–CH2–CH2–C=O

O

γ – hydroxykyselina γ – laktón

-H2OO

Syntéza kyseliny askorbovej

O = C

HO – CH

HO – CH

HO – CH2

HC

O

HO – CH

L-gulóno-

laktón

L-gulónová

kyselina

D – glukuronová

kyselina

COOH

HO – CH

HO – CH

HO – CH2

HC – OH

HO – CH

+ 2H

L-gulónolaktóndehydrogenáza

O

=O

OH OH

CH2 – OH

HO – CH

Kys. L-askorbová

(vitamín C)

- 2H

6

1

-H2O

*

6

C

H O

C

C

C

C

C O

O H

H O

O H

O H

O H

H

H

H

H

*

*

*

11

6

CH3 – CH – COOH

OH

+2H

-2H

CH3 – C – COOH

O

kyselina mliečna kyselina pyrohroznová

CH3 – CH – CH2 –COOH

+2H

-2H

CH3 – CO –CH2 –COOH

OH

αβ

kyselina β - hydroxymaslová kyselina acetoctová

Oxidácia hydroxykyselín

Reakcie ß-oxokyselínvýznamné v metabolizme tukov

NADH + H+

hydrogenácia

CO2

ketónotvorné

štiepenie

(OH- ) acid

forming cleavage

CH3CHCH2COOH

OH

Kyselina -hydroxymaslová

CH3COCH3

Acetón

2 CH3COOH

Kyselina octová

CH3CCH2COOH

O

Kyselina acetoctová

CH3 – CH – CH2 COOH

OH

kyselina β - hydroxymaslová

CH3 – CO –CH3 acetón

Ketolátky v organizme

V stopovom množstve v krvi, v moči

Vo vyššej koncentrácii v moči – ketonúria (hladovenie, diabetes)

CH3 – CO – CH2 – COOH kyselina acetoctová

Transaminácia

kys. fenylpyrohroznová kys. 2-oxoglutárová

Citrate cycle

C4C6

C2

C5

C4

Nobelova cena (za fysiológiu alebo lékárstvo, 1953) za objav

cyklu kyseliny citronové. Narodil sa v Hildesheimu (Německo)

v rodine židovského lekára. Po absolutóriu medicíny študoval

ešte rok chémiu v Berlíne. Päť rokov pracoval v Berlíne u

O. Warburga, potom ako lakár v nemocniciach v Altoně a

Freiburgu. V roku 1933, po nástupu fašizmu, prišiel na pozvania

F. G. Hopkinsa do Anglicka, dostal britské občanstvo a pôsobil

tam na rôzných universitách do konca života. V roku 1958 bol

povýšený do šlachtického stavu. Krebsov výzkum byl zameraný

najmä na rôzné aspekty intermediárneho metabolizmu.

Študoval syntézu močoviny, kyseliny močovej a purinových

zásad, mechanizmus aktívneho transportu elektrolytov a vzťah

medzi dýcháním buniek a tvorbou ATP. Jeho

nejvýznamnějším objavom je citrátový (Krebsov) cyklus.

Krebs Hans Adolf (1900 - 1981)

Deriváty H2CO3 NaHCO3 Na2CO3 anorganické soli

O

CCl Clfosgén

kyselina mravčiaH

O

C OH

močovina

diamid kyseliny uhličitej

O

CH2N NH2

tiomočovina

S

CH2N NH2

iminomočovina quanidín

NH

CH2N NH2

oxidácia

HOOC – OH =

kyselina hydroxymravčia

O

CHO OH kyselina uhličitá

Kyselina barbiturová

močovinaC

O

H 2 N NH 2

kyselina malónováHOOC COOH

CH2

+

malonylmočovina

O

C

HN NH

O=C C=O

CH2

laktánová forma

O

HN CH2

O= =ONH

tautoméria

N

OH

OHN

HO

Trihydroxy pyrimidín

laktímová forma

- 2 H2O

NH2 NH

HN = C HN = C C = O

N – CH2 – COOH N – CH2

CH3 - H2O CH3

NH2

HN = C

N – CH2 – COOH

NH ~ PO(OH2) NH C=O

HN = C HN =C

N – CH2 – COOH N CH2

kreatín kreatinín

׀

CH3

ATP

ADP

CH3

H3PO4

kreatínfosfát

kreatinín

CH3

ATP

O=C

NH2

O ~ P

karbamylfosfát

–O P O–~

O

O

C CH2C

O–

O

fosfoenolpyruvát

CH2 O P O–

O

HC OH O–

O C O~ P

O–

O–

O

1,3–bisfosfoglycerát

Makroergické zlúčeniny

~

Voľná energia hydrolýzy fosforylových skupín

niektorých makroergických zlúčenín

Látka ∆G0´ kJ.mol-1)

Fosfoenolpyruvát -61,86

Karbamylfosfát -51,41

Acetylfosfát -43,05

Kreatínfosfát -43,05

ATP (na ADP) -30,51

Glukóza-1-fosfát -30,51

Glukóza-6-fosfát -13,79

Glukóza-3-fosfát -9,19

Amíny - primárne R-NH2

- sekundárne R-NH-R

- terciálne R-N-R

Rzásadité vlastnosti

tvorba amóniových solí

ORGANICKÉ ZLÚČENINY DUSÍKA

R – NH2 + H+ R – NH3+

Reakcia amínov s kyselinou dusitou/dusitanmi

NH

R

R

+ HO N O N

R

RON + H2O

sekundárny

amín

kyselina

dusitá

nitrózamínSecondary

amine

Nitrous

acid

Nitrosamine

Karcinogén !!

R – CH2 – NH2 + HNO2 R – CH2 – OH + N2 + H2O

Primárny amín

Sekundárny amín

nitrózoamín

Vznik biologicky významných amínov

– CH2 – CH – COOH

NH2 – CO2

– CH2 –CH2 –NH2

HistamínHistidínN

H

N

N

H

N

HO CH2 CH

NH2

COOH HO CH2 CH2 NH2HO CH2 CH2 N

CH3

CH3

CH3

++ 3 CH3

cholínCO2

Serín EtanolamínCholín

silné účinky na organizmus,

vo vyšších dávkách až jedovaté

prírodné dusíkaté látky zásaditého

charakteru

výskyt: produkty metabolizmu aminokyselín u

rastlín (menej u živočíchov)

dusík je väčšinou viazaný v heterocykle, a podľa

tohto heterocyklu sa aj triedi

vo vode väčšinou nerozpustné

horká chuť

ALKALOIDY - vlastnosti

Alkaloidy s cyklom pyridínu

nikotín - izoluje sa z listov tabaku

- smrtelná dávka pre človeka - 50 mg

Alkaloidy s cyklom tropánu

atropín - má špecifický účinok na organizmus – lieči obličkovú a žlčníkovú kolitídu

kokaín - lokálne analgetikum

Alkaloidy s cyklom chinolínu a izochinolínu

morfín – silný ópiátový analgetický účinok

kodeín – tlmenie kašľa

heroín (diacetylmorfín) – semisynteticé ópioidové ličivo – analgetikum z maku

Alkaloidy s cyklom indolu (námelové alkaloidy)

lysergid (LSD) – halucinogén

Alkaloidy s cyklom purínu

kofeín

teobromín

teofylínanaleptiká, ktoré stimulujú určité

oblasti CNS, ale výrazne neovplyvňujú psychické funkcie

ORGANICKÉ ZLÚČENINY SÍRYSíra patrí medzi sekundárne makroprvky

Nachádza sa

• v anorganických soliach – sírany

• v proteínoch (vlasy, nechty, rohovka)

• esenciálne aminokyseliny – cysteín, metionín – z rastlín

• biologicky významné látky – kyselina lipoová, biotín, tiamín, heparín,

koenzým A, inzulín, glutatión . ...

Denne človek vylúči 0,6 – 1,0 g síry ( sírany, estery kyseliny sírovej,..)

• Tioly R-SH (disulfidy, tioestery) – redoxné reakcie

• Sulfidy R-S-R (sulfoxidy, sulfóny)

• Sulfónové kyseliny, sulfonamidy R – SO3H

R – SO2 – NH2

• Heterocyklické zlúčeniny so sírou (tiofén, tiazol)

Tiofén Tiazol

v čiernouholnom dechte liečivá

S

N

S

ORGANICKÉ ZLÚČENINY SÍRY

Tioly and sulfidy

Aminokyselina metionín

Redoxné reakcie tiolov

R – SH + HS – R R – S – S – R + 2H

oxid

red

Tvorba disulfidov

- 2H+ 2H

oxidácia

redukcia

S

S

Redoxné reakcie tiolov - vplyv na štruktúru

bielkovín

OOC-CH-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COO-

NH3+ CH2

SH

SH

NH3+ CH2

OOC-CH-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COO

dehydrogenácia

- 2H

2 GSH GSSG + 2H

Oxidácia glutatiónu

Opýtaš sa, budeš 5 minút vyzerať ako blbec.

Neopýtáš sa, budeš blbcom po celý život

Čínské príslovie